DÉPARTEMENT DE GÉNIE CHIMIQUE

BCM 20329: INTRODUCTION AU GÉNIE BIOCHIMIQUE, HIVER 2007

3a (suite). Applications alimentaires, 
industrielles et pharmaceutiques

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TABLE DES MATIÈRES

• La fermentation alimentaire
• Le fromage
• La fermentation alcoolique
• La panification
• L'ensilage
• La microbiologie industrielle et pharmaceutique
• Les produits
• Description générale d'une fermentation microbienne
• La culture de cellules animales

• Le lait d'un mammifère quelconque (par ex: vache, jument, chameau, baleine, cochon d'inde, humain, chèvre etc.) est mélangé avec de la RENNINE (chymosine), ou une enzyme apparentée, produite de nos jours à partir d'une moisissure. Cette enzyme coupe la caséine, la protéine du lait.
• Une CULTURE DE DÉPART (ou LEVAIN) d'un micro-organisme connu pour donner la saveur désirée est utilisée pour fermenter le lactose et produire de l'acide lactique. Cela a pour effet d'abaisser le pH et de faire précipiter la caséine sous forme de CAILLÉ.
• Ce caillé est récolté et le liquide en excès, le lactosérum (petit lait), est rejeté.
• Le caillé est inoculé avec une bactérie ou une moisissure sélectionnée, ou les deux, connue pour donner une saveur particulière au fromage, alors qu'elle se développe sur et dans le caillé. Pour plusieurs fromages, un inoculum artificiel, préparé en laboratoire est utilisé. Mais plusieurs fromages dans le monde sont inoculés naturellement en les plaçant dans des environnement ou l'air contient les microbes désirés.
• On laisse le caillé vieillir pour une durée donnée sous des conditions précises d'humidité et de température, bien souvent dans des caves. La saveur et la consistance finales sont atteintes lors de cette période.
• Le fromage est finalement recueilli, emballé et vendu.

   

FAQ: D'où viennent toutes ces variétés de fromage si le procédé de fabrication est essentiellement toujours le même?
 

• RÉPONSE: La saveur d'un fromage est influencée par plusieurs facteurs, dont:
• Le type de lait employé.
• La diète du producteur de lait, qui elle est influencée par la flore locale, le sol, le climat, etc.
• La souche microbienne employée aux différentes étapes.
• Les conditions environnementales lors du vieillissement.

• Certains fromages tels le fromage en crème ou le cottage ne sont pas vieillis. Dans ces deux cas, l'ajout des micro-organismes se fait d'une façon très contrôlée.
• Le contenu en eau des fromages détermine leur consistance, soit: ferme, mi-ferme ou mou.
• Il existe plus de 2000 sortes de fromages dans le monde.
• Si le fromage est fabriqué à partir de lait contaminé, il peut transmettre cette contamination aux consommateurs.
• Le duvet blanc à la surface du camembert est une couche de moisissures productrices de pénicilline. Lorsque l'on laisse le camembert murir, les protéases produites par la moisissure vont digérer les protéines du fromage et le ramollir.

De nos jours, la production mondiale excède 1.2E11 litres/an.
 
 

1. MALTAGE: Le grain est entreposé dans un environnement sombre et humide. Dans ces conditions, le grain germine, formant le malt, et produit des enzymes qui vont hydrolyser les polysaccharides en sucres simples, solubles, utilisables par la levure.
2. Le malt est séché et broyé pour améliorer l'extraction des sucres. Le matériel séché peut être entreposé.
3. BRASSAGE: le malt est mélangé avec de l'eau pour poursuivre l'hydrolyse enzymatique de l'amidon en glucose.
4. LE BRASSIN, le liquide contenant les sucres dissous est séparé des solides.
5. du HOUBLON est ajouté au brassin, le tout est bouilli afin de détruire les enzymes restant, extraire la saveur du houblon et de dénaturer puis précipiter les protéines qui donneraient un goût indésirable au produit fini. Le houblon contient aussi des substances anti-microbiennes et aide à la clarification finale de la bière.
6. La LEVURE est ajoutée au mélange et le tout est placé dans de grandes cuves métalliques fermées afin de produire un environnement anaérobie.
7. La fermentation dure de 7 à 12 jours
8. La bière est ensuite affinée (ou vieillie) sous différentes conditions et durées dépendemment du brasseur.
9. Finalement, le produit est généralement clarifié, embouteillé et pasteurisé.

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• Le blé ainsi que plusieurs grains apparentés produisent un groupe de protéines appelés glutens. Ces protéines ont la caractéristique de former de longue chaînes moléculaires lorsqu'elles sont "travaillées", ou "pétries", et retiennent les autres substances de la farine pour former une masse collante, la pâte. Le gluten contribue aussi aux propriétés organoleptiques (une autre façon de parler de la saveur et de l'odeur) du pain développées lors de la cuisson.
• Des enzymes, les alpha et bêta amylases, présentes dans la pâte humide contribuent à briser l'amidon en maltose et saccharose.
• Une levure est ajoutée (une souche de Saccharomyces cerevisiae, spécialement adaptée à la boulangerie) qui métabolise les sucres et produit du CO2 en conditions aérobies. C'est cette production de gaz, formant de petites bulles emprisonnées dans la pâte, qui va faire lever la pâte et donner cette texture légère au pain (et à plusieurs autres types de pâte); d'où le nom de levure. La levure contribue elle aussi au goût du produit final.

Note: Discussion sur les autres produits alimentaires fermentés.

Les micro-organismes sont utilisés depuis une cinquantaine d'année pour produire en quantité industrielle des molécules utiles qui ne sont pas nécessairement destinées à l'alimentation. Nous avons vu quelques exemples de ces produits tout au long du cours:

• Les fermentations:
• plusieurs alcool. Ex: éthanol, 2,3, butanediol, isopropanol, butanol
• plusieurs acides organiques. Ex: lactique, acétique, propionique, butirique, ascorbique (vitamine C)
• acétone
• les enzymes:
• Protéases (60% du marché des enzymes)
• rénnine (presure)
• papaïne, trypsine (traitement des viandes)
• subtilisine dans les détersifs
• Amylases pour l'hydrolyse de l'amidon
• Cellulases: hydrolyse de la cellulose
• Hemicellulases (ex: xylanases)
• enzymes de restriction
• Les cultures de cellules
• Biopolymères
• poly-beta hydroxybutyrate (PHB, produit en limitation d'azote)
• Dextrane
• Xanthane
• Pullulane
• Biopesticides (ex: spores et cristaux de Bacillus thurigiensis)
• Biocapteurs
• Biopharmaceutiques. Ex:
• Vitamines
• Acides aminés
• Acides nucléiques
• Antibiotiques
• Hormones: insuline, hormone de croissance, interferons (anti-viraux)
• Insuline (humaine recombinante)
• Facteurs coagulants et anti-coagulants
• Protéines du système immunitaire
• Récepteurs, ligands, molécules signal
• Animaux transgéniques

DESCRIPTION GÉNÉRALE D'UNE BIORÉACTION SUBMERGÉE

Les éléments qui vont permettre à un procédé d'être économique sont:

• La recherche d'un milieu bon marché.
• Souvent des sous-produits (rejets) d'autres industries: eau de rinçage du maïs (corn steep liquor), lactosérum, déchets d'abattoir (stick liquor), sous-produits de brasserie, vinasses, mélasses, peptones (hydrolysat de protéines) etc.
• Le maintien et l'amélioration des souches.
• Le développement et l'amélioration du procédé de fermentation
• Étude du métabolisme et de la cinétique de la souche
• Amélioration du milieu et des conditions de culture
• Mise au point d'un procédé adapté au micro-organisme: cuvée (système fermé, cuvée alimentée: exemple de la production de levure, ou chemostat)
• Amélioration de l'agitation et de l'aération
• Amélioration de l'instrumentation
• Amélioration du contrôle
• Réduction des risques de contamination par un virus ou un microbe
• Le développement et l'amélioration des méthodes de purification (traitement en aval ou "downstream processing").
• La réduction des coûts de traitement des déchêts

LA CULTURE DE CELLULES ANIMALES

Ces cellules, surtout les cellules de mammifères ne se divisent pas spontanément et régulièrement en milieu de culture. Elle devront être transformées, soit par mutation aléatoire, soit par l'introduction de matériel génétique, soit par fusion avec des cellules cancéreuses, ou une combinaison de ces méthodes. Une étape de criblage (screening) suivra qui permettra d'isoler une souche ayant les propriétés désirées. On appellera une lignée cellulaire immortelle, une souche capable de se reproduire indéfiniment.

Elles requièrent des milieux de cultures complexes et dispendieux comprenant: une demi-douzaine de sels minéraux et de vitamines, une vingtaine d'acides aminés, une source de carbone (glucose), un tampon ainsi qu'une source non-définie de facteurs de croissance divers, ordinairement obtenu par l'addition de 5-10% de serum. Le coût d'un tel milieu se chiffre ordinairement dans les 10-20$/L mais peut aller jusqu'à des centaines de $/L alors qu'un milieu bactérien industriel coûte < 1$/L.

Le développement de milieu sans serum, complètement défini, peut permettre un meilleur contrôle de l'environnement cellulaire (permettant une meilleure reproductibilité de résultats entre les différents lots produits), est un facteur de sécurité important pour des productions pharmaceutiques destinées à être injectées, mais ne coûte pas nécessairement moins cher qu'un milieu non-défini. Des solutions intermédiaires consistent à utiliser des additifs non-définis, mais qui ne sont pas d'origine animale (Extrait de levure, extraits de plantes, albumine, etc). Dans tous les cas, les lignées cellulaires doivent être adaptées à ces nouveaux milieux et ces procédures peuvent être longues.

Ces lignées nécessitent des conditions de cultures précises (ex: 37C, 5% CO2)

Les temps de dédoublement sont longs (approx. 24h), ce qui rend ces cultures particulièrement vulnérables à la contamination bactérienne.

La concentration en biomasse maximale est faible: 200 mg/L à 10 g/L par rapport à plusieurs bactéries qui peuvent atteindre 10-100 g/L. Les rendements volumétriques en produits sont donc à l'avenant.

Leur taille étant supérieure (10-20 microns vs 1-5 microns) et étant dépourvu de paroi, ces cellules sont fragiles au cisaillement hydrodynamiques et ne supporteront pas des vitesses d'agitation ou des débits de bullage élevés

liste des produits biopharmaceutiques en essais cliniques en 1995 aux États-Unis (plus de 200 produits)(référence: Genetic Engineering News, août 1995, pp. 12-16)
 

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Copyright © Dr. R. E. Hurlbert, 1998. This material may be used for educational purposes only and may not be duplicated for commercial purposes.